CN105865979B - 一种测量微液滴电湿效应的装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种测量微液滴电湿效应的方法，将微量导电液滴置于由间距d、涂覆有绝缘介电膜两平板电极构成的液滴测试盒(1)之内，液滴与上下表面充分接触并挤压形成“鼓”状形态。液滴测试盒(1)置于显微拍摄系统(2)载物平台上，系统显微物镜附近设置有两组光源，分别是上方的反射光源(3)和下方的透射光源(4)；所述反射光源(3)、透射光源(4)与显微拍摄系统(2)同轴设置；设此“鼓”腰部直径为D，“鼓”面直径为D’。在透射光源(4)照射时，显微拍摄系统(2)拍摄到一个放大倍率为β的圆环，经设置于显微目镜上的CCD摄像机采集并存入计算机进行测量可得D，D’。被测液滴接触角θ用上述参数D、D’、d、β的函数表示，进而可计算出接触角θ大小及其随电压变化的规律即电湿效应。反射光源的设置主要用于判断并测量“鼓”面直径D’。

Description

一种测量微液滴电湿效应的装置与方法

技术领域

本发明专利涉及一种新颖的测量微量液滴固-液接触角随电压变化规律即电润湿效应的结构及其工作原理，属于光电信息集成器件、微流控光学分析和自适用光学等技术领域。

背景技术

电湿效应是一种物理化学现象，它通过改变导电液滴与基板之间的电压来改变液滴在基板上的润湿性，即改变接触角使液滴发生形变和位移。将一个微液滴作为镜头，使用电湿方法改变微液滴的形状，从而达到变焦的目的。这种变焦方式有效地避免了镜头的机械移动，可以大幅减少透镜的体积，且不存在机械磨损等问题，使得系统操作起来效率更高，潜在寿命也更长。这些特点对保密摄像机更为关键，因为它们时刻都在调整焦距。仅在成像领域，潜在的市场就有：袖珍型普通数码相机、PDA摄像机、网络摄像机、隐蔽式保密摄像机、DVD录像机以及内窥镜等。

在实际应用中，通常在与液滴接触的基板表面涂敷数微米的介质层和数百纳米的疏水层来增大接触角的动态变化范围；液滴通常是电解质盐溶液，盐溶液周围可以是空气，也可以是另一种不溶液体，如非极性油溶液。

液体与固体接触时，通常以θ＝90°作为润湿的界限；θ＜90°，可浸润；θ＞90°，不浸润；θ＝0°称为完全浸润即铺展现象。接触角是最容易观测到的界面现象，是固液、固气和气液分子相互作用的直接体现。通过对接触角的研究可获得固液相互作用的许多信息，是衡量润湿性能，获得聚合物表面结构及其变化最有效、最敏感的方法之一。目前接触角的测量主要通过测角、测高或测力来实现，根据不同的实验原理，主要有以下操作方法。

光反射法通过液滴的镜面反射来测量接触角。它主要根据光反射的几何关系，采用量角的方法测量接触角。测量方法为采用强的光源通过狭缝，照射到三相交界处，改变入射光的方向，当反射光刚好沿着固体表面发出时，可以根据法线与气固界面的夹角φ计算接触角，即:插入法是通过观察浸入液体中的直立或倾斜样品，通过高度或倾斜角度，测试出接触角。座滴法做切线求取接触角是将液滴滴在固体表面上通过做气液界面切线，量取待测液体和固体的接触角。早期是通过带有量角装置的望远镜或显微镜直接测量，人工操作、视觉分辨是引起误差的主要原因，使用高倍显微镜可改善测量，将误差控制在±2°。

大滴法是将液体置于固体表面上形成液滴，不断增加液滴量，当液体高度达某一最大值时，继续增加液量，只会扩大固液界面面积，在均匀的固体表面上，将形成固定高度的圆形“液饼”。接触角θ可通过下式计算:式中，h_m为液滴最大高度；g为重力加速度；ρ为液滴密度；σ_LV为液体的表面张力。小液滴法将液滴滴在固体表面上，当液滴足够小时，重力可以忽略，液滴是理想的球冠形。测量在固体平面上小液滴的高度和宽度，根据几何关系有：式中，r为球形液滴底面圆的半径；h为液滴的高度。悬泡法测定接触角，一般是将固体样品放置在玻璃槽上，槽中加入接触液体。在液体下方吹一气泡，使气泡附在样品表面上，用量角器直接量取接触角。Wilhelmy吊片法是当一固体部分浸入液体时，液体会沿着固体的垂直壁上升或下降，Wilhelmy法就是先测量液体对固体的拉力(推力)来计算润湿力，然后根据润湿力、液体表面张力、润湿周长及接触角之间的关系计算接触角，从而判定润湿性能。毛细管法是通过对液体施加外力，让液体弯月面在毛细管中以恒定速度前进或者后退，通过对弯月面直接照相并对高度、角度进行图像处理，测量动态润湿过程中的前进接触角和后退接触角。旋转圆柱法是使固体圆柱在测试液体的液面以一定速度旋转，通过对弯月面照相求取接触角。这种方法属于测角范围，操作误差受人为影响比较大，而且对圆柱固体有要求，不宜采用受力弯曲的固体。

发明内容

发明目的：提出一种适用于测量微量液滴电湿效应接触角的装置与方法，用于解决现有微量液滴电湿效应接触角检测手段复杂及针状电极对完美液面接触角形状的影响等问题，使其测量过程简化、测量精度提高。

技术方案：一种测量微液滴电湿效应的装置，由显微拍摄系统和设置于该系统显微物镜附近的反射光源及载物平台上的液滴测试盒及下方透射光源组成；所述反射光源、透射光源与显微拍摄系统同轴设置，液滴测试盒中两极板间设有厚度d的支撑柱。

由于本方法适用于测量导电液滴的电湿效应即接触角随电压变化关系，故液滴测试盒包括设置有透明电极、绝缘介电疏水层的上盖片和下盖片，及两盖片之间厚度为d的支撑柱，及被挤压成“鼓状”的待测微液滴。

当液体接触角为钝角时，“鼓状”微量液滴在显微物镜下方透射光源的照射下在显微拍摄系统中得到一个放大β倍率的圆环，液滴环像外环直径为D，内环直径为D’；当液体接触角为锐角时，液滴环像外环直径为D’，内环直径为D。设置于显微目镜上的CCD摄像机采集上述图像并存入计算机，液滴接触角θ用上述参数D、D’、d的函数表示，直接测量D，D’，可计算出接触角θ大小，其中显微镜的放大倍率β和板间距d是已知参数。

所述的圆环D’的测定由显微物镜上方反射光源照射时获得。

所述液滴测试盒中液滴接触角可由上下盖片平板电压调谐控制，从而可以测量液滴接触角随电压变化规律，即电湿效应。

有益效果：根据以上叙述可知，本发明具有如下特点：

1、本发明将传统的量角法进行改进，设计了一种新颖的接触角测量方法，由于不需要拟合边缘曲线和确定接触点的位置，使得测量计算过程大大简便，同时取消了针状电极的插入，避免了细针尖对液滴完美接触角的影响，具有重要的技术价值和经济价值，将会在微液滴接触角检测领域得到广泛的应用。

2、本发明针对微升体积的微量液滴接触角随外加电压变化即电湿效应提出一种简单、低成本、精度高的测量方法，可快速、准确检测直径mm量级液滴接触角，由于去除针状电极对微液滴形状影响、不需要确定接触点位置和曲线拟合，使得测量过程简化、测量精度提高，具有重要的技术价值和经济价值，将会在光电信息集成器件、微流控光学分析和自适用光学领域得到广泛的应用。

3、用平板电极代替针尖电极，减少由于针尖插入深浅而引起液滴形变所带来的误差，及解决了微量液滴测试过程中易脱离电极问题。

4、不需要确定接触点，减少由于人工定点带来的误差

5、计算方法简便，不需要拟合液滴边缘曲线函数求导来获得接触角的大小。

附图说明

图1是一种测量微液滴电湿效应的方法的结构示意图

图2是液滴测试盒结构示意图

图3是测量测量微液滴电湿效应的方法示意图

图中标号：1、液滴测试盒；2、显微拍摄系统；3反射光源；4、透射光；1-1、上盖片；1-2、下盖片；1-3、支撑柱；1-4、液滴；1-5、液滴环像外环；1-6、液滴环像内环；1-7、透明导电层；1-8、绝缘介电疏水层。

具体实施方式

电湿效应是指通过调整施加在固体–液体之间的电压，来改变固体和液体的表面张力，从而改变两者之间的接触角。在液滴和电极之间加入一层绝缘介电物质，可施加较大的电压来增加接触角的变化，即介质上电润湿。当微液滴位于固体表面时，可忽略重力的影响，液滴与固体的初始接触角θ₀可以由Young方程表示：式中θ₀是固–液初始接触角、ε₀ε_r是介质介电系数、γ是液体表面张力系数、e是绝缘介电膜厚度、U是外加电压。

通过显微镜物镜获得放置于载物平台上的受挤压液滴的俯视图像即液滴环像，被显微目镜上的CCD摄像机拍摄采集，送入计算机进行储存。如图2所示，假定接触角为钝角，液滴环像外环1-5和液滴环像内环1-6，直径分别为C、C’，它们被显微放大β倍后变成直径D、D’。上盖片1-1和下盖片1-2之间的距离为d。由图3(a)可得，设圆心在O处，∠APQ＝θ，因PQ与圆弧相切，OP垂直PQ，因OA＝d/2，可求得圆弧的曲率半径h＝R(1-sinθ)＝D-D′，得到由于D、D’、d、β为已知或可测参数，θ可由上述函数求得。由图3(b)也可得上述同样的结论。

实施例1

判断固体表面的浸润情况。如图1，打开反射光源3，此时液体与上盖片内表面接触面的圆图像最为明显，测量此圆直径尺寸即为D’；打开透射光源4，此时显微系统可清晰拍摄圆环图像，测定两直径分别为D、D’，比较D和D’大小即可判断固体表面的浸润情况。当D>D’时，接触角θ大于90度，即不浸润，如图3(a)；当D<D’时，接触角θ小于90度，即浸润，如图3(b)。浸润角由公式求得。

实施例2

测量两种液体与同一固体表面接触角。如图2，用厚度d的密封圈代替支撑柱1-3，在导电液滴周围灌注与之互不相融的透明绝缘油，此油能明显增大初始接触角。同理测出D、D’等参数，带入即可求出接触角。

Claims (3)

1.一种测量微液滴电湿效应的装置，其特征在于装置由显微拍摄系统(2)和设置于该系统显微物镜下方的透射光源(4)、下方载物平台上的液滴测试盒(1)及反射光源(3)组成；所述的反射光源(3)、透射光源(4)与显微物镜同轴设置；所述的液滴测试盒(1)包括设置有透明电极(1-7)、绝缘介电疏水层(1-8)的上盖片(1-1)和下盖片(1-2)，及两盖片之间厚度为d的支撑柱(1-3)，及被挤压成“鼓”状的待测微液滴(1-4)。

2.一种测量微液滴电湿效应的方法，其特征在于,用权利要求1所述的测量微液滴电湿效应的装置进行测量，显微拍摄系统(2)在透射光源(4)作用时，所拍摄的液滴像为具有“鼓”腰部直径D和“鼓”面直径D’的圆环，被测液滴电润湿接触角θ用上述参数D、D’、d的简单函数解出，直接测量D、D’，可测量出液滴接触角θ，其中支撑柱厚度d、显微镜的放大倍率β是已知的参数。

3.根据权利要求2所述的一种测量微液滴电湿效应的方法，其特征在于所述的显微拍摄系统(2)在反射光源(3)作用时，所拍摄的液滴像为具有“鼓”面直径D’的圆圈，通过比较D和D’的大小判断液滴接触角为钝角或锐角。